目 次
目的
概要

光学デザイン
モードクリーナー
制御デザイン
フリンジコントロール
アライメントコントロール
パワーリサイクリング
目標リサイクリングゲインの設定値
制御信号の分離
動作点への引き込み ロッキングアクイジション の問題
リサイクリングミラー製作と検査
から

への移行

レーザーと光学部品
レーザー
光学部品
ミラー
口径
弾性モードと形状
素材の光学特性研磨
コーティング
テストマス懸架
テストマスの位置精度に対する要求
干渉計設置場所の予想雑音レベル
防振
スタック防振防振
鉛直方向能動防振データ取得・デジタル制御
ネットワーク
低レートデータ取得・デジタル制御機器
高レートデータ取得・記録機器
ソフトウエアとデータシステム全体の構成
真空
施設
研究組織

年次計画

ミラーの熱雑音図

日本のプロジェクト．

基線長レーザー干渉計の概念デザインを示す．

目的
本計画の
将来計画

基線長レーザー干渉計

は、既に存在する数規模のプロトタイプと次期干渉計を技術的につなぐ役割をもっている．本装置を建設することによって計に必要な技術を確立する．本格的な「重力波天文学」のためには

クラス干渉

クラスの干渉計がどうしても必要となる．しかし重力波検出技術の困難性と特殊性を考えると、一気に最終目標をめざすより、一桁づつス
ケールアップをしながら確実に前進する方が得策であると判断される．本計画を達成することにより次期計画の青写真を確信をもって作り上げることが可能となる．また、基線長レーザー干渉計は実証型検出器としての機能ももっている．つまり検出器の技術開発だけが本計画の目的ではなく、最終段階では実際に重力波観測も試みる．これを実証型検出器として機能させることにより、「重力波天文学」のきっかけをつかむことも不可能ではない．この装置はわれわれの銀河系内で起きた重力波イベントに対しては十分な感度をもつように設計されている．さらに、アンドロメダ銀河までの距離までも守備範囲としている．もちろんこのような距離範囲で数年の間に大イベントが起きる可能性は大きくは無いが、幸運に恵まれれば重力波検出も夢ではない．世界的にいくつかの大型検出器計画が進行中であるが、今後の国際的な観測ネットワークの中で本装置は重要な役割を果たすことになる．

国

プロジェクト名

設置場所

タイプ、基線長

アメリカ

完成予定

基

イタリア フランス
ドイツ イギリス
日本

表三鷹

世界で現在進行中の大型レーザー干渉計計画

目標感度

（帯域幅

）

干渉計タイプ基線長
ファブリー・ペロー共振器フィネス
光源

注入同期方式

パワーリサイクリング

利得

レーザー、出力倍（干渉計入力実効パワー、波長）

真空容器内真空度
真空パイプ直径表

レーザー干渉計の基本仕様

概要の 字型をしたマイケルソン型レーザー干渉計を開発・建設し、近傍銀河系からの重力波検出をめざす．連星中性子星の合体にともなう重力波を考えた場合、になる．そこで本装置は
周波数

帯域幅

あたりが周波数としては重要において最高感度が達成されるように設計されている．具体的には、中心においての重力波を検出可能とすることを目標とする．図 に概念図を示したように、本レーザー干渉計はファブリー・ペロー・マイケルソンとよばれるタイプであり、マイケルソン干渉計の両側の腕がファブリー・ペロー光共振器からできている．これによって実質的に光路長をかせぎ低周波数での感度をかせいでいる．さらに、レーザーと干渉計の間にリサイクリングミラーを置き、レーザー側に戻る光を打ち返すことにより実質的に干渉計内部のレーザーパワーを増加させている．
本装置の基本仕様を表 にまとめてある．出力干渉計の実効入射パワーのを達成する．波長は等価的な折り返し回数に対応するフィネスはレーザーとリサイクリングを組み合わせてレーザーの基本波を用いる．干渉計のとする．光ビームが通過する全長

プの内部は残留空気の屈折率ゆらぎによる光路長変化を避けるために

直径

のパイ

の真空に保たれる．図 に本装置の期待される感度曲線を示している．低周波数においては地面振動が主な雑音源となる．中間周波数
ではミラーの熱雑音が支配的であり、さらに高周波数ではレーザー光のショット雑音によって感度が制限される．本プロジェクトは研究開発的な側面も強いため、利便性の良い国立天文台三鷹キャンパスが干渉計の設置場所として選ばれた．なお本プロジェクト名ものである．

は三鷹が属する多摩地区の多摩よりとられた

.

10–18

hrms

Thermal (Pendulum)

10–20

Seismic

Shot noise

Thermal (Internal)

101

102
103
Frequency (Hz)104

次に干渉計の各部分のデザインについて説明する．

光学デザインG

A: Frequency stabilization
B: Mode-cleaner monitor
C,D: Interferometer control
E,H: Alignment control
F,G: Main cavity monitor

Optical Layout of TAMA300

A

H

F

C

E

D
B

1: Laser, 2: Isolator, 3: Phase modulators, 4: Mode-matching telescope,
5: Beam steerer,6: Alignment mechanism for injection,
8-9-10: Mode cleaner, 13-14: Mode-matching telescope,
15: Optical circulator, 17:Recycling mirror,
18: Beam splitter, 20-21, 25-26: Main Cavities,
19,24: Pick-off plates for alignment control,
7,11,12,16,22,23,27,28,29: Optical window plates of vacuum chambers,
30,31,32,33: Beam position sensors

図の基本光学デザイン．

光学デザインは次の制御系デザインとともに干渉計の根幹をなすものである．図 には干渉計全体の基本的な光学系デザインが描かれている．あらかじめ周波数安定化が施されたレーザー出力はによりの変調がかけられる．その後入射光のパラメータを調整するためのレンズ類を通過した後、モードクリーナーとよばれるリング型の光共振器に入射される．モードクリーナー
を出た光はもう一度モードマッチングのためのレンズをとおり、リサイクリングミラーから干渉計本体に入射する．ビームスプリッターによって つに分けられた光はそれぞれ長さのファブリー・ペロー共振器に入射されるが、ビームスプリッターとそれぞれのファブリー・ペロー共振器の手前のミラーの間の距離は両方向での差がある．これはが干渉するさい、先ほど述べたというテクニックであり、 つの腕からの反射光の変調が残るようにするためのものである．この変調を利用することにより信号の復調が可能となる．それぞれのファブリー・ペロー共振器の手前には反射光を一部抜き取るピックオフとよばれるプレートがある．これは光ビームとミラーの間のアライメントの情報を取り出すために使われる．

図の光学デザイン．

モードクリーナー
モードクリーナーに要求される性能は、入射レーザー光の高次モードを低減すること
ビームジッターを低減することの つである．前者は干渉計のコントラストを上げることに寄与し、モードクリーナーによる高次横モー
ドの

に対する

で与えられる．ここでははフィネスであり、これが高ければが上げることになるが、実際には共振器のロック条件（フィネスが高い共振器はロックが難しい）とミラー損失による効果（透過率が下がる）を考慮して、フィネスはぐらいに設計されるのが一般的である．後者のビームジッターは

ビーム方向の角度揺らぎであるが、これはダイナミックな高次モードととらえることができるので、これに対する性能も同様に考えて良い．つまりフィネスが高いほど良いモードクリーナーになる．ただし、ビー
ムジッターの実測値がほとんど無いため、要求性能が明らかではないのが現状である．そのため、安全を見込んで 段のリング型共振器でモードクリーナーを構成する計画もある．

具体的なモードクリーナーの光学設計であるが、 枚鏡のリング型共振器としている．これは共振器からの戻り光が直接レーザーに返っての原因となることを防ぐ目的のためであり、現在進行中の大型計画では全てこのタイプを採用している．フィネスがぐらいのリング型共振器の場合、 枚鏡の共振器に対し、光アイソレータ 個を省けることになるので非常に好都合であり、共振器の制御信号の取り出しも楽である．さらに偏光選択性も有していて、片方の偏光に共振すると、もう一方の偏光はほとんど通さないという特性を持っている．リング型共振器で注意することは、共振器が 角形であるため基本モードが完全な円にならないことである．しかし、実際には直線的な鋭角 角形であるため影響はほとんど無い．
光学設計でもう一つの重要な点は、干渉計を制御するのに必要な変調サイドバンドを透過させる必要があることである．そのために変調周波数がちょうど共振器のに等しくなるように共振器長を決めなくてはならないのである．
ここでモードクリーナーの仕様を下に示す．
（図 参照）
反射率

平面鏡

偏光

球面鏡
フィネス
ミラー間隔

平面鏡間
球面鏡と平面鏡

ここまではモードクリーナーの受動的な役割について述べたが、モードクリーナーは周波数安定化のた
めの基準共振器としても使われる．方法自体は一般的な的な基準とはならない（伸縮が大きい）ので、固定型共振器を用いた法なのでここでは触れないが、が必要である．主干渉計がロックした後は、この周波数安定化回路は共存しない可能性もあるので、最終的にはフリーランになる可能性もある．

図

モードクリーナーの配置図．

制御デザイン干渉計の制御は大きく分けて つの部分に分かれる．ひとつはフリンジ制御とよばれる干渉縞の制御であり、ミラーの光軸方向の位置を調整する．ふたつめはビームアライメントであり、この場合は光ビーム
軸方向に対してミラーの姿勢を制御する． つ目はパワーリサイクリングのための制御である．
フリンジコントロール

l-

L-

L+

図

の基本制御デザイン．

まずフリンジ制御について説明する．各ミラーの光軸方向の位置制御の問題である．
間の間には温度変化や潮汐効果などにより距離が変化する．この大きさは最大

基線長は長時程度と見積もられるが、 枚のミラーの位置を制御することによりこれを補正する必要がある．これはゆっくりした距離の変化であるが、干渉縞を常にダーク（暗縞）に保つには速い変化も抑え込む必要がある．この速い制御については、ミラーの後に貼り付けた磁石とコイルをアクチュエーターとして用いる．フリンジ制御を考えると
き、 つのファブリー・ペロー共振器の同相変化
手前のミラーが作るマイケルソン干渉計の同相変化

と差動変化
と差動変化

およびファブリー・ペロー共振器のの つの独立自由度に対する制御と考えた方がわかりやすい．これをブロックダイアグラムの形で表したのが図 である．重力波信号が含まれているのはの信号の中であり、ミラーに対する制御信号から取り出すことができる．

アライメントコントロール
ビームアライメントに関しては法という方法を用いる．これはファブリー・ペロー共

振器からの反射波をピックオフで一部取り出し、その反射光の光路上の適当な位置に 分割の光検出器を置き、変調周波数
横回転と同じ周波数で復調することにより、 枚のミラーの傾き（あおりと）に関する情報を独立に抜き出す方法である．この信号を適当に処理してミラーの懸架部分の図

アライメント制御の原理図．

total loss of Michelson interferometer

1

図

G=1
10-1
G=10
10

-2

10

-3

10

-4

G=100

G=1000
10-4

10-3
10-2
10-1
intensity transmission of recycling mirror

リサイクリングミラーの損失を無視した場合の，1

干渉計の反射率とリサイクリングミラーの透過率の変化に対する内部パワーゲインの依存性．
アクチュエーターに返すことにより、ミラーの姿勢を制御する．どの程度の大きさの傾きまで抑えるべき
かは、アライメントのずれによりどの程度干渉光のコントラストが劣化するかによって決められる．この場合計算によるとが許容範囲であり、アライメント制御によりこれ以下に抑える必要がある．リ

サイクリングミラーのアライメントも同様な方法で制御される．

パワーリサイクリング
干渉計にパワーリサイクリングを組み込む際にもっとも問題となるのは，制御信号の分離であると考えられる．干渉計を構成するミラーの温度 勾配 が高くなることとによる，不安定性の増大についても配慮しなくてはならない．
まず最初に，

で予定されているリサイクリングゲインの値に関してふれ，その後の節で予想される問題点と対策について議論する．

目標リサイクリングゲインの設定値
リサイクリングゲインの大きさは，理想的には，
リングミラーの反射率によって決まる．

干渉計の動作点における反射率とリサイク
干渉計の反射率は，アーム共振器を構成するミラー，

ビームスプリッター，ピックオフミラーの損失という制御の難しい量に依存しており，これらの損失が大きいにも関わらず大きなリサイクリングゲインの値を狙ってリサイクリングミラーの反射率を高くとると，
干渉計本体のミスアライン等による変動に呼応する，干渉計内部パワーの変動が大きくなるなどの弊害が現れる．

図

は，干渉計から戻ってくるキャリアの反射率とリサイクリングミラーの透過率の変化に対する内部パワーゲインの変化を等高線で示したものである．ただし，リサイクリングミラーの損失を無視するという近似を入れてある．図中の直線は，リサイクリングミラーの反射率が干渉計の反射率に一致する点を連ねたものである．この条件を満たすとき，リサイクリングミラーの反射率の変動に対してゲインの値は極大となり，変動は二次の効果でしかなくなるので，最適点といえる．しかし，干渉計の反射率の低下に伴う様とするのはリスクが大きい．
ンドミラーで透過率の低下の割合が大きいので，最適反射率をそのままミラーの仕では，アーム共振器を構成するミラーの仕様上の目標値は，エ，フロントミラーで透過率やピックオフプレートでの損失を無視した場合，インはである．この値を用いて，ビームスプリッタ
干渉計の反射率は，リサイクリングゲとなる．図中に記号 □ で表された点がこれに対応している．
干渉計の反射率を下げる要因としてもっとも大きなものは，アーム共振器のミラーの反射率の低下によるものである．仮にフロントミラーの損失が無視できて，エンドミラーは仕様のワースト値である損失を仮定すると，となる．図中の記号

干渉計の反射率はに低下し，リサイクリングゲインはがこれに対応している．リサイクリングの効率を極力下げずに，かつ干渉計の損失の変動に対しても実効的なパワーの変動が少なくなるようにミラーの反射率の仕様が選ばれているといえる．
フロントミラーやビームスプリッタ，ピックオフプレート，さらにはリサイクリングミラーの汚染による損失の増加，また鏡の熱変形・熱レンズ効果によるミスマッチ成分の増加により，さらにリサイクリン
グゲインが低下してしまうことも予想される．リサイクリングゲインの値としてすると，光源レーザーの出力パワーとしてイゾレータ，変調器の透過率の積がが確保できると仮定が見込まれているので，モードクリーナの透過効率とア程度であるとしても，主干渉計での実効パワーとしては約が期待される．

制御信号の分離
アームに共振器を持つリサイクリング共振器の同相長の誤差信号入し，干渉計にパワーリサイクリングのための鏡を付加すると，にアーム共振器の同相長の信号が大きな割合で混の良い分離が難しくなることが知られている．この対策として，リサイクリング共振器のサイド

バンドに対する反射率をゼロにする方法，二種類のサイドバンドを使う方法を並行して検討している．リ
サイクリング共振器の内部の光をモニタするためのポートとしては，アーム共振器のアラインメントの信号を取得するためのピックオフプレートを利用する方法を検討している．図にあるように，両腕のピッ

クオフプレートから，リサイクリング共振器内の順方向と逆方向の巡回光がサンプルできるので，前者をの制御信号，後者をアラインメント制御信号のポートとして利用することができる．
リサイクリング共振器の反射ポート，反対称ポートと合わせ， 種類のポートから光路長制御に必要な自由度の信号を取り出す．現在，を加えることで， つの信号のの位相変調に加えて，別の周波数の変調が向上するかどうかを検討中である．

のインフラストラクチャの整備の期間に，構成を比較的容易に変更できる，
およびその他のテーブルトップの干渉計をもちいた実験で，安定性などを検証し，

干渉計，
へ組み込む

リサイクリング系の構成に反映する予定である．
なお，アーム共振器の透過光の情報は，光路長制御には直接用いない予定であるが，後述のロッキングア
クイジションのキーシグナルとして利用できる可能性が高いので，ディテクタを配することになっている．

end

front

δ L +- δ L -isolator δ l +modulator

recycling cavity
internal (forward)
δ L ++ δ L -pick off

recyclingf m(main)splitterδl recycling cavity
internal (backward)

f m(sub)
recycling cavity
reflection
図

antisymmetricport

パワーリサイクリングを付加した干渉計の制御．

arm cavity
transmission

動作点への引き込み ロッキングアクイジション の問題
では，光路長制御ループには信号が一旦デジタル化されてで制御信号を作るような系は挟まないという方針になっている．したがって，アクイジション前と後でサーボの特性をもし変更するとすれば、制御ループ内にアナログスイッチかボルテージコントロールドアンプを導入し，その制御端子に計算機からの信号を加えることになるであろう．振り子で防振されたテストマスと組み合わせた場合に特有のサーボコントロールの問題が重要になると考えられる．これは込みに先立ち，干渉計とへのリサイクリング組み

干渉計の双方を利用して検証実験をおこなう．

リサイクリングミラー製作と検査の光学デザインではの曲率半径をもつ鏡を用いる予定である．このような長い曲率半径を持つミラーの形状評価をする方法は現在のところ確立していないので，開発を手掛ける．ヘテロダイン
干渉計を用いた表面計測システムを構築してミラー基材の曲率半径と精度を評価する予定である．
の運用により，キャリア，サイドバンドに対する干渉計の反射率に関する情報が得られる．これをリサイクリングミラーの反射率設定に反映させ，誘電体他層膜の蒸着をおこなう．

から

への移行

干渉計が動作点から外れた時に，損傷を残すほどのハイパワー光がフォトディテクタに入射してしまうという問題がもっとも深刻なのは，モードクリーナの反射光ポートであり，次に著しいのは主干渉計からモードクリーナに戻る光をモニタする部分である．
必要はないが，では後者のポートでは全パワーをモニタするではこのポートで制御信号を得なければならないので，モードクリーナの反射光ポートに用いているのと同等のフォトディテクタを用意する必要がある．しかし，モードクリーナが既に稼働しているであろうことから，技術的に新しく要求されることはないと考えられる．移行時の主な仕事
はリサイクリング用サスペンションの追加とサーボ系改変になると考えられる．パワーリサイクリング下でのの自由度の信号の分離が実現できたと仮定すると，変調・復調の問題と独立して計算機を利用した模擬実験を進めることができるはずなので，前もって検討する．
反映して具体的なでの制御サーボ系の実績をのサーボ系を設計する．

オートアラインメントとの共存 両腕のアラインメント誤差信号の分離 において困難が生じることも予想されるので，これについても前もって解析しておく必要があると思われる．

レーザーと光学部品
レーザー

図

注入同期方式

レーザー光源としては半導体レーザー励起のレーブレーザーは約してレーザーのダイアグラム．

レーザーを用いる．いわゆる方式のスの半導体レーザーによりポンピングされる．一方で高安定なマスターレーザーと出力のレーザーがあり、これにスレーブが注入同期されることにより、マスターと同じだけの安定度をもった高出力レーザーが実現する．またマスターレーザーは外部から周波数調整を行う入力端子を備えているため、全体として周波数可変の高出力レーザーとなっていることが特徴である．これによりメインの干渉計を利用して光源の周波数安定化を行うことが可能となる．波長はであり可視光

では無いが、真空中で用いるものであり取り扱い上特に問題は無い．しかしこのままでは周波数等の安定度が不足するため、メインの干渉計に入射する前に予備的な安定化が必要となる．そのため固定ミラーを用いたファブリー・ペロー共振器を利用した周波数安定化が準備されている．

光学部品
レーザーの他にも、例えば光検出器に関しては必要とされるハイパワー入力のものが製品として存在しないため、光パワー分割型の多素子による検出器を開発中である．また、光変調器

や光アイソレーターについても光ビームの直径が大きいためアパーチャーが大きいこと、高真空中に置くため真空仕様をみたすものであることなどが要求される．

SDL-3450-P6

600mm

SDL-3450-P6

Lightwave Electronics
Model 126

EOM

ISO

NEW
FOCUS
mirror mount

HWP

PD

safty
shutter
NEW PORT xyz-stage

NEW PORT xyz-stage

900mm
図

レーザーの配置図．

図

レーザーとモードクリーナーの配置．

ミラー
ミラーに要求されるのは、回折損失が無視できる充分な口径観測帯域での熱雑音が無視できるような音速と機械的Ｑ値
透過光の波面乱れが無視できる光学的均一性
熱レンズ効果が無視できる熱膨張率と熱伝導率
マイケルソンの干渉効率を高めるための設計値通りの反射率
レーザーパワーを充分活かすための非常に小さな吸収損失と散乱損失である．数値をあたってみると、これら全てを満たすことはかなり困難であることが分かるが、不可能ではない．以下に具体的に検討する．
口径の長さの共振器について、フロントミラーが平面だとすれば、モードの安定性を考慮して、エンドミラーの曲率は径）である．回折損失を素材は最低でも直径となる．この場合、エンドミラーの位置でのビーム径は約以下に抑えるためにはコーティング領域は直径（半が必要であり、ミラーとなる．

弾性モードと形状
ミラーの弾性モードに関し、共振周波数はなるべく高い方が良い．これは数値計算によりアスペクト比
ぐらいが選ばれた．つまり直径サファイアでる．問題はに対し、厚さはとなる．ミラー素材の音速は石英で程度である．最低次の共振周波数は石英の場合でも、以上であるから充分と言え値であり、サファイアの方が高いことが報告されているが、素材本来の値を出すことは難

しく、実際にはミラーに張り付けられたマグネットやワイヤーでの吊り下げ方で決まってしまうことが多いので、現段階では石英を選ぶ．
素材の光学特性
これについては合成石英にまさるものはないであろう．光通信や半導体産業の要求にこたえるため、石英の光学特性は極限にまで高められている．これを利用しない手はない．具体的な値としては、屈折率揺らぎが程度が得られるので、厚さに対し、透過光の波面乱れはとなり許容範囲内である．また合成石英はサファイアのような複屈折率を持たないので、この点も有利である．
素材としては、信越石英のミラーのを選定した．

研磨
まず、安定な光共振モードのためには設計通りの曲率半径を持つことが必要である．また、２つの共振器に対し、この曲率半径の相対値は良く一致していなければならない．さらに、散乱損失を抑えるために表面粗さが非常に小さいこと（ オングストローム以下）が要求される．これは既に実現されているが、直径という広い領域で可能かどうかは未知である．

という方法で表

ミラー仕様

コーティングミラーで最も重要なのがコーティングである．
ではない．まず、２つの共振器の性能はコーティングで決まると言っても過言のフィネス（反射率）を揃えるためには、非常に良く制御された成膜が必要である．特にエンドミラーに関してはなるべく高い反射率が要求されるので、これは損失の問題に直結している．例えば損失があると、可能な最高反射率は以下という仕様になる．ニアミラーの場合は反射率は低いのだが、レーザーパワーを有効に使うために、やはり低損失であることが要求される．共振器中では等価的に光パワーはフィネス倍になるので、といっても、そこで発生する熱はかなり大きい．この熱によりミラー基材が変形してレンズのようになるので、熱膨張率が小さく、熱伝導率が大きい素材を選ぶことが大事である．この点に関しては合成石英はあまり良い素材とは言えないので、損失は低ければ低いほど良いことになる．このようなコーティングはあり、直径程度の小さなサンプルでは法で唯一可能でのオーダーの吸収損失が報告されている．

ミラーのコーティングはそのような技術を持つ日本航空電子に発注される．
以上の検討により、表 のような仕様が決められた．

テストマス懸架
ミラーなどのテストマスを懸架する部分のデザインは制御性、防振特性、熱雑音などを考慮して決められる．基本的なデザインはミラーを 重振り子で懸架し、光軸方向の並進以外は振り子の支点で制御するというものである． 重振り子の上側のマスのまわりには強力な永久磁石が配置されていての効果により振り子の振動に制動がかかる．これにより通常行われるローカルコントロールといわれる制御系が不要になり、大幅にデザインが簡素化され信頼性が向上する．防振特性も単振り子に比べて向上す
るはずであるが、縦方向の振動が横方向に結合する効果が比較的大きいためこれを軽減する対策が必要となる．振り子の支点には方向および つの回転方向を制御するためのアクチュエーターが取り付けられている．粗調にはピコモーターという電動マイクロメータを用い、微調のためには（圧電素子）

を併用する．熱雑音の効果としては振り子運動にともなうものと、ミラーの弾性体としての固有振動にともなう熱振動がある．振り子運動は周期 秒程度であるが、その熱雑音のスペクトルの裾である周辺の成分が雑音に寄与する．同様にミラーの内部モードは共振周波数が以上であるが、スペクトルの低周波数部分が効いてくる．振り子の

値は

値としては

以上、内部モードの以上が要求される．

Pitch(Picomotor+PZT)
Yaw(Picomotor+PZT)
Bellows(V)
100 mmZ(Picomotor)

Suspension wires( Tungsten)Y(Picomotor)
X (optical axis)(Picomotor)

Total
length(approx.)

Flexible
supportUpper mass

holderDampingmagnetsupport

800 mmSuspension
wires(2-turn)

Lower
mass
(Mirror)Preliminary

Suspension

Designfor

TAMA300(A. Araya, 96/10/4)

図

ミラー懸架システム．

テストマスの位置精度に対する要求
重力波検出に対する目標感度を達成するためには、がある精度でその位置を保つ必要がある．ここでは最も要求の厳しいミラーに対する精度を考えるが他の光学素子もこれに準じる．考えるべきは つの並進および つの回転の計 つの自由度である．それらの記号を以下のように定める．

光軸方向軸まわりの回転
軸まわりの回転の位置精度と言ったとき、これはレーザー光軸との間の相対的な位置精度を表すものとする．位置精度を指定するには つのやり方がある． つはであり、これは目標値からどの位ずれているかを示す．例えばレーザービームのスポットとミラーの中心がう場合、これはの以内なら良いといである．これは平均値であるが、これがそのまわりでどの位揺らいでもいいかを示すのがである．この場合についてはつめの精度は重力波信号領域

はと同程度が要求される．

における揺らぎであり、通常最も厳しいにおけるによって表される．

表
の

は

両腕の

の位置精度に対する要求の共振のをどの位の精度で保つべきかによって決まる．この時、レーザー強度および周波数雑音の効果を考慮する．

球の曲率のため吊られたミラーが鉛直からずれる（の変換が生じると考える．

に対する

は地

）ことから

はミラーの回転が並進雑音に変換されたいための制約か

ら決まる．

に対する

は干渉計のコントラストによる低下が以内という要請から決まる．また、

および
は

の
が

ずれている

とき、角度揺らぎが並進雑音に変換される効果を計算したものである．
干渉計設置場所の予想雑音レベル
三鷹
度のレーザー干渉計建設場所における位置雑音レベルを推定する．
と

並進および

角

の当初の相対的位置のずれ等 は、

ブレッドボードのレベリングによって程度以内および

殻変動、防振系等の経年変化を考えると、並進予想される．角度

においては

について

以内のドリフトがについては防振に使用するスタックの傾きが支配的であると予想されるので、表にはこの値を示している．スタックの実測によるとデータによると、波（

以内におさめられる．また、温度変化や地における以内の変化が見られる．三鷹地区の地面振動はとなっている．または低周）のゆらぎによって決定される．

表

干渉計設置場所の予想位置雑音レベルにおいては粗調に
ではをの制御を行う．

、微調にとして用いる．
の位置では、では つの可動
により

の位置

を利用して

のみを制御する．

防振三鷹地区の地面振動レベルは静かな山間部などに比べると大きいが、例えば東京大学本郷キャンパスなどに比べると約 桁小さい．例えばにおける振動レベルはとなっている．もちろんこのままでは重力波信号が覆い隠されてしまうので、目標信号以下に抑えるためにはミラーの振動としてはまで落とす必要がある．つまり約 桁の防振が必要となる．これを 段階の防振システムで実現する．そして最後に懸架システムの 重振り子があり、やはり数を受け持つ．

以上の周波数帯域における防振

表

表

の特性

金属ケース封入タイプ圧電素子

スタック防振まずスタックとよばれるゴムと金属のおもりを交互に重ねた防振構造を用いる．このシステムは

程度から防振効果が効き始める．真空中でゴムをそのまま用いると脱ガスによりミラーなどの汚染の恐れがあるため、ゴムをベローズで封入したものを使用する．
防振スタックの上にはブレッドボードが置かれその上に振り子とよばれる低周波防振システムが設置される． 振り子は低周波防振のために開発されたシステムであり、周期程度からの防振が期待できる．これは秒程度の振り子を実現できるため

長さの振り子に匹敵する周期であるが、全長装置で達成可能である．ただ傾きに対してはやはり足らずの長さの振り子のように振る舞うため、何らかの傾斜補正装置を必要とする．
鉛直方向能動防振
この装置は水平面内の 次元防振システムとして拡張可能であるが、鉛直方向の防振は不可能である．そこで鉛直方向には加速度計とアクチュエータを組み合わせた能動防振システムを組み込む．

図

スタック防振系．

m/2,
I/2
2R

m/2,
I/2

C Hcrit

M

D

図

次元

振り子の側面図．

図

次元

振り子の原理図．

図

垂直方向能動防振システムの原理図．

Vibration Isolation System for the 300m Interferometer

X-pendulum
Active Control

Double Pendulum

MirrorStack

図

ミラー懸架を含む防振系全体．

データ取得・デジタル制御
ここで述べるのはデータの取得および記録、および計算機を介した制御を含むシステムである．
干渉計の信号は、主干渉信号やキャビティへのフィードバック信号のように高いレートのサンプリングを必要とするもの、真空モニターや温度モニターのように更新頻度は低い
以下 が干渉計全体に沿って広範囲に信号源が散在するもの、の２つに概ね分けられる．表 に信号のサンプリングレート、チャンネル数等の概要を示す．一方、温度などの環境変化によるものを長時間にわたって補正するために計算機を介した低速の制御が考えられ、実験装置の一部分で閉じた局部的なデジタル制
御、或いは中央真空槽室と東西端室の間でフィードバックするような広域的な制御が要求される．特に後者は干渉計が大きくなったことにより必要になってきた．すなわち、
高レートデータの記録
実験環境に分散

連続した情報を集中的に記録、モニター

実験装置のデジタル制御．特に検出器の独立した部分が相互に影響を受けることなく運転をつづけられるが干渉計のデータシステムの目標である．
ネットワーク
実験室はデータ取り込みとデジタル制御のために中央真空槽室と各実験室（東西端室と配管路中間部）間にそれぞれ芯、 芯の光ファイバーが敷設されている．ファイバーの内幾つかは計算機ネット

ワークとは別に、送り側で変換でデジタルに変化してから転送し、受け側でもう一度変換してアナログに戻すというデータ転送方法に用いる．計算機ネットワークは３つの閉じたネットワークセグメ
ントで構成され、セグメント毎に中央真空槽室を中心にスター配線の形で別々の光ファイバーで各実験室と結んでいる．
（図参照）

低レートデータ取得・デジタル制御機器
これらの機器は分散して配置され、データや制御の状況は前述のネットワークを通して計算機に集められることになる．従ってネットワークに接続できる測定機器として、ボード、あるいはクレート

トに追加する．また汎用のクレート バスマスターの互換コンピューターを用い、必要な
機器は

等をクレー

クレートインターフェイスやインターフェイスを用いる．
高レートデータ取得・記録機器
レートが総計て最終的には磁気テープ

近く、しかも一定のレートで連続である．データ量を鑑みに記録するが、低レートデータとのマージや、テープの記録速度に余裕を持たせるためにハードディスクなどの中間スプールが必要である．市販規格を用いることにした場合、データの流れ全体で律速段階になるのはから中間スプールへの転送である．また高レート部分ののデータは量が多いので、ネットワークを介さずに記録装置と繋ぐ．機器はと中間スプールの為のハードディスクはる．

モジュールとしてクレートに載り、からハードディスクへの転送は通常のバスマスターのカード社のソフト

によって、バスに接続されボードを介さず、ヒューレットパッ

バス上で直接行う．これによって中間スプールまでは高速で転送し、フォーマット処理を経てバスマスターのされる．

クレートをベースに用いボードにで接続されたテープ装置に記録

ソフトウエアとデータシステム全体の構成
機器を制御・統括するためのソフトウエアとして、以下の２つが候補にあがっている．

は研究所等で開発されたソフトウエアで、ネットワーク上のション、

ワークステー等を扱える．複数の機器の測定や計算を分散型のデータベースとして捉え、特にネットワーク上に散在する機器を扱うのに優れている．データの表示等に関してはエンド
ユーザーにも扱いやすいを供え、実験の全体のモニターに用いうる．またという言語を用いてスレッド化してシーケンスも扱える．

はヒューレットパッカード社の開発したからインターフェイスカードを通して録が可能である．直感的な

環境で、

互換機や

ワークステーション

クレート上の機器を使うことができ、データの表示や記でシーケンスを組めるのが強みである．

さらにデータシステムの動作は用途に合わせて以下の５つの論理層に分けられる．
部分的な制御層単一の機器或いは上で行う干渉計要素の制御プロセス層．制御のループはネッ

トワークを介さない．他のどのプロセス層および、同一層の他の機器の動作に関わらず、単一機器上で制御プロセスは動作できる．低速データ取得部には制御ループの状態を送る．
広範囲の制御層
複数の機器上で行う干渉計要素の制御プロセス層．制御のループはネットワークを介し、離れた場所（例えば中央真空槽室と東西真空槽室）間での制御ループを構成する．

同様、他のどのプロセス

層および、同一層の他ループの動作に関わらず、単一ループで制御プロセスは動作できる．２つ以上の互いに相関が必要な制御系は１つのにすることによって統合できる．低速データ取得部には同様に制御ループの状態を送る．
および
る．

の機器は

の制御ループはを送るにあたって、に分散したのと称す１つのネットワークセグメントに接続されを用いることになる．またとでは多少状況が異なる．

、

から制御ループの情報

は測定データがネットワーク上の形式で管理され、ユーザーがネットワークの操作を意識することなく制御やデータの論理層を切り分けられる．一方は基本的にひとつのホスト上で動くものなので、特にネットワーク経由でデータを送る為には、それぞれについて通信をユーザーが設定するなどの工夫が必要である．
低レートデータ取得層低い（）のデータ取得プロセス層．真空、温度などの環境データにはじまり、長時間でのアラインメントのドリフトなども含まれる．取得すべきデータは干渉計

×に沿ってまばらに分布しており、ネットワーク上に分散した機器で取り込まれる．機器はセグメント上に配置される．取り込んだデータのモニターはションないしでまとめてモニターする．

高レートデータ取得層上の端末 ワークステー

高いレートのデータ取得プロセス層．中央真空槽室に集中した、干渉計の主干渉信号、フィードバック信号等の取り込み．集めたデータは同様にマージ＆記録プロセスに送られる．

高レートのデータについてはリアルタイムで可能な範囲の重力波信号抜き出しの処理（等）を行い、イベントのトリガーを試みる予定がある．このためには、記録データは記録プロセスが走る機器

ないしワークステーション とは別のワークステーションに送られるようになっているのが望ましい．
データマージと記録層、
め、のデータを集め、記録するプロセス層．実際にはの機器の上に構成されることになる．

データシステム全体の流れを図表に示す．

のデータ量が支配的なたinternet

GeneralpurposeTAMA300
skematic of network anddata acquisition system

Firewall IP-routing:NO,
SPARCclassic RIP-input/output:NO

analog signal I/O
GPIB

RouterHigh speed BUS

FujitsuLR450

Control net
High rate DA net
Acquisition net
HUB Catalist2100
V-LAN1
PC

VME

PC

VME

VXI

VXI

V-LAN2
VME

GPIB

GPIB

VME

V-LAN3

PC

VME

VME

WS

VXI
(End room)(Mid room)

VXI

Mass
storage(Mid room)(Center room)

図

ネットワークシステム概念図．

(End room)

Data Flow of TAMA 300
low rate data
1~100 Hzhigh rate data
~10 kHz(~500 kByte/sec)•main signal frominterferometer•optics servo controls•...

Local Control•alignment control•environments (vacuum
temperature, seismic
noise)•...

VEE
Global Control

High rate dataacquisition system
VXI

EPICS

spool
ADC

PC
VXI

VME

VME

VME

data
base

data
base

data basesequencer•global control

troughput

UNIX Workstation
data base
event builder•raw data ofenvironment•quick analysis
results

event packets~every 3sec.
all data
1st level
trigger#02
0:00:03-06#03
0:00:06-09

sampled data#04
0:00:09-12.
.
.

(every a few events asmuch as cpu allowed)•FFT•environments monitor•matched filtering•...

raw dataarchivelooking data base via network#01
0:00:00-03

control console

processed
data archive
each desk of end users
off-line analysis

図のデータ流れを示す図．

真空
光ビームは直径の製真空パイプの中を通過する．このパイプは 単位長さをベローズを介してメタルガスケット成するために、パイプの内面はで結合したものである．ベーキングなしで

のパイプ
を達

加工が施されている．真空ポンプはパイプにつきロータリーポンプ 台、ターボモレキュラーポンプ 台、イオンポンプ 台で構成される．さらにアウトガスを減らすための
は直径

のものと

コーティングが研究されている．ミラー等を収納する真空チェンバーのものがあり、合計 個が配置される．

図

モードクリーナー用真空パイプ

図

モードクリーナー用真空タンク

図

モードクリーナー用真空タンク２

図

真空排気システム．

施設
真空パイプは国立天文台キャンパスの地下に設置される．ボックスカルバートとよばれるコンクリート
製の配管路を地面の下に敷設し、その中に真空パイプをとおす．配管路の内側寸法は高さ

横幅

であり、真空パイプの横を人が一人ようやく通れる位の広さである．真空チェンバーを置くための建物は中央と端部 カ所の計 カ所あり、地上から出入りできるようになっている．

図の設置場所、三鷹国立天文台キャンパス．

図の中央真空槽室図面．

図の中央真空槽室内部配置図．

図

真空パイプを収納するためのボックスカルバート．

研究組織
各組織の役割
全体の統括（総括班）の評価、提言（運営委員会）

実施に関する決定機関（幹事会）
プロジェクト運営全般
将来計画、国際会議、国際協力、広報等
検出器の
干渉計、

、理論のとりまとめ

各サブグループの責任者については、

および各から名のメンバーでグループを構成し、検出器全体の総合的な調整および干渉計本体建設実施にあたる．
古在由秀

国立天文台・名誉教授

研究リーダー・総括

坪野公夫

東京大・理・助教授

運営委員会議長・懸架装置

藤本眞克

国立天文台・位置・助教授

運営委員会幹事・インフラ整備黒田和明

東京大・宇宙線研・助教授

運営委員会副幹事・低周波防振植田憲一

電通大・レーザー研・教授

運営委員・レーザー光源齊藤

芳男

高エネ研・放射光・助教授

運営委員・真空系

三尾典克

東京大・工・助教授

運営委員・干渉計の光学設計中村卓史

京都大・基礎物理研・教授

運営委員・重力波発生理論

海部宣男

国立天文台・光学・教授

運営委員・総括補佐

荒船次郎

東京大・宇宙線研・所長

運営委員・総括補佐

菅原寛孝

高エネ研・所長

評価委員

小平

桂一

国立天文台・台長

評価委員

佐藤

文隆

京都大・理・教授

評価委員

江沢

洋

学習院大・理・教授

評価委員

宅間

宏

電通大・名誉教授

評価委員

清水

富士夫

東京大・工・教授

評価委員

霜田

光一

東京大・名誉教授

評価委員

河島

信樹

宇宙研・惑星研究系・教授

観測・モニター系

観山

正見

国立天文台・理論・教授

中性子星形成時の重力波放出

大橋正健

国立天文台・位置・助手

モードクリーナーの開発・研究

高橋

竜太郎

国立天文台・位置・助手

スタック型防振装置の開発

山崎利孝

国立天文台・位置・助手

データ取得実験・解析

神田

展行

東京大・宇宙線研・助手

リアルタイムデータ処理・解析

河邊径太

東京大・理・助手

干渉計アラインメント

森脇成典

東京大・工・助手

リサイクリング光学系

津田展宏

東海大学・工・教授

超長焦点距離球面鏡の形状評価法の開発

新谷昌人

東京大・地震研・助手

モードクリーナーの開発

堀越

源一

高エネ研・名誉教授

真空系の設計・製作・真空評価

小川

雄二郎

上窪田

紀彦

高エネ研・放射光・助手

真空系の実験測定、データ取得・システム制御

高エネ研・放射光・助手

マンマシンインターフェース鈴木

敏一

高エネ研・低温・助手

防振系における熱雑音研究

松田

七美男

東京電機大・工・助教授

真空系の製作・実験・評価

中川

賢一

東京工芸大・工・講師

レーザー制御装置の製作

水野

英一

宇宙研・惑星研究系・助手

高速データー取得システム開発

中尾憲一

京都大・理・助手

重力崩壊による裸の特異点形成とその最終状態

大阪大・理・教授

数値的相対論の定式化の研究

大阪大・理・助手

３次元コードの開発

新潟大・理・助教授

連星中性子星の合体と重力波

東北大・理・教授

重力波の放出と伝播

広島大・理・助教授

連星中性子星の合体

国立天文台・位置・技官

施設関連

国立天文台・外国人研究員

熱雑音研究

佐々木

節

柴田

大

大原

謙一

二間瀬
小嶌

敏史
康史

福嶋美津広

東大宇宙線研・外国人研究員 低周波防振東大理・外国人学振レーザー安定化

田越秀行

国立天文台・理論・学振重力波発生理論

武者

国立天文台・位置・学振レーザー安定化満年次計画TAMA300
全体年次計画

1995

1996

1997

1998

1999

4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3

施設建設

真空系設置

光学系設置・調整

調整・観測(Phase I)

開発・調整

観測(Phase II)
図

全体年次計画．

TAMA300年次計画
1995

1996

1997

1998

1999

4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3

全体計画
施設建設
真空系設置
光学系設置・調整
調整・観測(Phase I)
開発・調整
観測(Phase II)

懸架
基本データ測定
試作機デザイン・製作
試作機評価
実機デザイン
実機製作
懸架装置設置・調整
integration

アライメント
基礎計算
wave front sensing実験
光学系、回路設計(FPM)
懸架設計
製作(FPM)
設置・調整(FPM)
光学系、回路設計(RM)
製作(RM)
設置・調整(RM)

防振
X‑pendulum
テスト機開発TAMA300年次計画
1995

1996

1997

1998

1999

4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3

基本動作テスト
テスト機評価
実機デザイン
実機製作(2)
実機インストール(2)
調整・保守(2)
実機製作(4)
実機インストール(4)調整・保守(4)Z‑active
テスト機設計テスト機試作テスト機テスト、評価
実機設計
実機製作(2)
実機インストール(2)
調整・保守(2)
実機製作(4)
実機インストール(4)調整・保守(4)施設
壁塗装
クリーンブース
作業台・洗浄器
スペアナ
オシロ他
ラック
工具

TAMA300年次計画
1995

1996

1997

1998

1999

4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3

維持費

ミラー
4mMCミラー
20m用ﾋﾞｰﾑｽﾌﾟﾘｯﾀｰ
ﾘｻｲｸﾘﾝｸﾞ実験用ミラー
20m用ミラー
10mﾘﾝｸﾞMC用ミラー
450mミラー用原器
原器測定
原器修正
300m用ミラー素材研磨
テスト基板製作
コーティングテスト
最終コーティング
天文台ＩＢＳ

モードクリーナー
4mMC製作
4mMC実験
ﾘﾝｸﾞ共振器予備実験
10mMCミラー製作
10mMC組立
調整
保守・改良

真空
設計
MC1、MC2製作
150mダクト製作
MC1、MC2、150m試験

TAMA300年次計画
1995

1996

1997

1998

1999

4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D1 2 3

NM1、EM1製作
300mダクト製作
NM1、EM1、300m試験
残り5真空槽製作
150mダクト製作
残り5真空槽、150m試験
保守、制御系整備

防振
スタック
基礎実験
20m実験
設計
プロトタイプ実験
MC1、MC2用製作
MC1、MC2用試験
NM1、EM1用製作
残り4真空槽用製作
保守、改良

熱雑音
熱雑音
ミラーＱ測定(300Ｋ)
ミラーＱ測定(低温)ワイヤーＱ測定ミラーの熱雑音
テストミラー測定データ＆計算結果
材質
寸法
直径
長さ
質量
弾性定数
密度
ヤング率

光ビーム

表

以下のモードについてテストミラー

定値．

測定および計算結果のまとめ． は真空中での測はガウシアンビームに対する換算質量．

上の表で
換算質量

の値は
は

の基本振動モードに対する値で規格化している．基本モードのであり、ほぼまでのモードを足し合わせるとである．表ではに対してはのミラーが 組あるので 倍する必要がある．結局いとして、 枚の以下までのモードを足し合わせたが、倍、倍になる．また、な熱雑音はすべてのモードのの基本振動モードだけ考えた場合のとして、また熱雑音は

は

値が等し

倍（振幅で）になる．

に従うとして計算する．

の基本モードだけの熱振動を計算すると

枚の

これを

について

のモードまで足し合わせるとまで積分するとよってこれによる限界

は

#2

#1

#4

#3
図

ミラーの固有振動モード

#5

#6

#7

#8
図

ミラーの固有振動モード

#10

#9

#11
図

ミラーの固有振動モード